KR100198782B1 - 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 M개의 1×N 빔 꺽기 소자를 서로 평행하게 배열하여 원거리 회절상 평면에서 M×N 공간 스위칭을 할 수 있게 한 소자 구조로서, 각각의 1×N 스위치에서 출력되는 빛들의 진행 방향이 서로 일치하면 원거리 회절 상 평면에서는 같은 위치에 모이는 특성을 이용한 공간 스위치에 관한 것이다.

Description

빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치

본 발명은 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치에 관한 것으로, 특히 위상 정렬된 광 도파로 어레이를 이용한 1×N 공간 스위치를 M개 사용하여 동작하는 M×N 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치에 관한 것이다.

종래의 집적 광학에서 공간 스위치 소자를 만드는 기술은 주로 스위칭 노드들과 이들을 입력과 출력단에 물리적으로 연결하는 수동 띠 도파로들로 이루어진다. 그리고 이들을 연결하는 방식은 시스템의 요구 조건에 따라 매우 다양하며 많은 종류의 스위칭 네트워크가 집적 광학에서 구현되었다. 그 대표적인 예를 두 개만 소개한다.

첫째, LiNbO₃에서의 △β 역방향성 결합기(△β Reversal directional coupler) 형태의 2×2 스위치를 기본 스위칭 노드(2,2,2 노드)로 사용하여 4×4 크로스-바(cross-bar) 네크워크 공간 스위치를 제작하였다. 이 경우 스위치 내부의 2×2 스위치가 모든 노드에서 균일한 특성을 갖게 하기 힘들고, 채널 수가 많아 질 경우 노드의 수가 급격히 증가하여 스위칭 채널간의 누화(cross-talk) 및 손실이 증가하게 된다.

둘째, 32×32 공간 스위치를 간소화된 트리(simplified tree) 구조의 편광 독립 8×8 공간 스위치를 기본으로하여 구현하였다.

이러한 종래의 공간 스위치들의 가장 큰 문제점들은 스위칭 노드 제작, 입력과 출력, 그리고 스위칭 노드간의 띠 도파로에 의한 물리적 연결등이 소자 설계시 많은 어려움으로 작용한다. 또한, 공간 스위치 내부의 모든 노드가 균일한 특성을 나타내기 힘들고, 채널 수가 많아 질 경우 노드의 수가 급격히 증가할 뿐만 아니라 띠 도파로들의 물리적인 교차가 많아져 채널간의 누화(cross-talk)가 증가하고, 소자의 길이도 늘어나 진행 손실도 증가하는 단점이 있다.

또한, 그 구조가 복잡하고, 제작이 매우 어려워 가격이 높을 뿐만 아니라 제작 수율도 낮은 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 위상 정렬된 광 도파로 어레이를 이용한 1×N 공간 스위치를 M개 사용하여 동작하는 M×N 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치를 사용함으로서, 상기한 단점을 해결할 수 있는 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치를 제공 하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치는 광 도파로 위상 변조기 어레이를 이용한 빔 꺽기 소자를 1×N 공간 스위치 소자로 사용하고, 상기 1ㅍN 공간 스위치 소자를 M개 서로 평행하게 배열하여 상기 1×N 공간 스위치 소자의 원거리 회절 상이 형성되는 평면에서 M×N공간 스위칭이 가능 하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 제작하기 힘든 스위칭 노드를 사용하지 않고, 입력과 출력간의 스위칭이 띠 도파로등과 같은 물리적 연결에 의하지 않으며, 스위칭 채널 수가 많아져도 소자의 길이가 길어지지 않는 간단한 구조의 제작이 쉬운 공간 스위치를 구현하는 것이다.

제1도는 위상 정렬된 광 도파로 어레이(Phased waveguide array) 구조로 동작하는 빔 꺽기 소자(Optical beam steering device)를 이용한 1×N 공간 스위치의 구조도.

제2도는 1×N 공간 스위치를 M개 사용하여 동작하는 본 발명에 따른 M×N간 스위치의 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 입력 광 도파로 2 : 수동형 빔 분리기

3 : n개의 띠 도파로 4 : n개의 위상 변조기

5 : 원거리 회절 상 평면 6 : 1×N 공간 스위치

7 : 광섬유 8 : M×N 공간 스위치

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

공간 스위치는 위상 정렬된 광 도파로 어레이를 이용한 빔 꺽기 소자(Optical beam steering device)를 기본 단위로 하여, 독립적인 빔 꺽기 소자가 서로 평형하게 다수가 배열된 구조이다.

이러한 빔 꺽기 소자는 1991년 D.R. Wight 등에 의해서 시현되었고, 그후 향상된 성능을 같은 구조들이 다수 발표되었다. 그러나 지금까지 이러한 소자들의 연구는 1×N 공간 스위치, 레이저 프린터, RF 스펙트럼 분석기, 또는 바 코드(Bar-code)등에의 응용을 염두에 둔 것으로 본 발명에서 제안하는 다수의 입력 채널을 다수의 출력 채널로 공간적으로 교환할 수 있는 광 교환 소자에의 응용을 위한 구조는 없었다. 먼저 1×N 공간 스위치로 동작하는 빔 꺽기 소자(Optical beam steering device)의 동작원리를 설명하기로 한다.

제1도는 위상 정렬된 광 도파로 어레이(Phased waveguide array) 구조로 동작하는 빔 꺽기 소자 (Optical beam steering device)를 이용한 1×N 공간 스위치의 구조도이다.

1×N 공간 스위치(6)는 입력 광 도파로(1)를 통하여 입사된 빛이 수동형 빔분리기(1×n power splitter)(2)에 의해 n개의 띠 도파로(Channel waveguide)(3)로 분리된 후 전기적, 광학적으로 독립된 n개의 위상 변조기(Phase modulator)(4)를 통하여 진행하게 된다. 그리고, 위상 변조기(4)를 빠져 나온 빛들은 서로 간섭하여 원거리 회절 상 (Far field diffraction pattern)을 평면(5)에 형성하게 된다. 이때 이웃하는 위상 변조기를 통과한 빛들 사이에 일정한 위상 증가(또는 감소) δ를 도입하면, 첫 번째 위상 변조기를 통과한 빛과 n번째 위상 변조기를 통과한 빛사이에는 (n-1)*δ만큼의 위상 차이가 생긴다. 따라서, 위상 변조기 어레이를 통과한 빛들이 형성하는 전체 파수 벡터는 (Wave vector)는 제1도에 나타낸 것과 같이 중심축과 θ의 각을 가지고 진행하게 되어 형성된 원거리 회절 상의 중심 위치가 이동하게 된다.

식 (1)에서 k는 빛의 파수 벡터이고, s는 어레이의 총 너비(Width)이다. 따라서, 이웃하는 도파로 사이의 위상 증가(또는 감소) δ를 적절히 조절하면 원거리 회절상의 위치를 임의로 조절할 수 있게 된다. 이때 공간적으로 서로 분리 가능한 출력 채널 수 N은 어레이 내의 총 위상 변조기의 수(n), 각 도파로의 폭(w), 도파로 사이의 간격(d) 등에 의존하게 된다.

제2도는 본 발명에 따른 1×N 공간 스위치를 M개 사용하여 동작하는 M×N 공간 스위치의 구조도이다.

제1도의 1×N 스위치를 M개 사용하여 동작하는 M×N 공간 스위치의 동작 원리는 다음과 같다. M×N 공간 스위치(8)의 전체적인 구성은 제1도에 나타낸 1×N 스위치를 서로 평행하게 M개를 배열한 것이다. 동작 원리는 광섬유(7)를 통하여 입사된 입력 광들(1∼M)은 각 1×N 스위치(6)들을 통해 출력되게 된다. 이때 1×N 스위치(6)들에서 출력되는 빛의 파수 벡터(Wave wector) 방향 θ가 일치하면 각각의 스위치들이 형성하는 원거리 회절 상은 모두 같은 점에 모이는 특성을 이용한 것이다. 즉, M개의 1×N 스위치 모두가 원거리 회절 상 평면(5)에서 동일한 N개의 위치로 스위칭 될 수 있게 되어 M×N 공간 스위치로 사용이 가능하다.

M×N 공간 스위치의 공간 스위칭은 기본적으로 위상 변조기 어레이를 벗어난 빛들이 평면 도파로 또는 자유공간을 진행하면서 빛의 회절 특성에 의하여 이루어진다. 따라서 M×N 공간 스위치는 임의의 입력 채널을 원거리 회절상 평면에 있는 임의의 출력 채널로 연결할 때 항상 스위칭 경로의 막힘(Blocking)이 없는 공간 스위치가 된다. 그리고 스위칭 채널 수를 증가시킬 경우 기존의 공간 스위치들은 길이가 증가하는 것에 반하여 본 발명의 소자는 소자의 폭만 넓어지므로 길이 증가에 의한 광 진행 손실을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 위상 정렬된 광 도파로 어레이를 이용한 1×N 공간 스위치를 M개 사용하여 동작하는 M×N 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치를 사용함으로서, 입력 채널과 출력 채널을 연결할 때 항상 스위칭 경로의 막힘이 없는 공간 스위치로 사용이 가능하고, 스위칭 채널 수를 증가시킬 경우 소자의 폭만 넓어지므로 길이 증가에 의한 소자의 광 손실을 줄일 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 광 도파로 위상 변조기 어레이를 이용한 빔 꺽기 소자를 1×N 공간 스위치 소자로 사용하고, 상기 1×N 공간 스위치 소자 M개를 평행하게 배열하여 상기 1×N 공간 스위치 소자의 원거리 회절 상이 형성되는 평면에서 M×N 공간 스위칭이 가능 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치.
2. 제1항에 있어서, 상기 M×N 공간 스위치에서 위상 변조기가 전기 광학 효과를 이용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 빔 꺽기 소자를 이용한 공간 스위치.
3. 제1항에 있어서, 상기 M×N 공간 스위치에서 위상 변조기가 열 광학 효과를 이용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 빔꺽기 소자를 이용한 공간 스위치.